专利名称：用于驱动磁控管的升压变压器和具有它的变压器单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动磁控管的升压变压器和具有该升压变压器的变压器单元。本发明具体涉及一种用于减少升压变压器的尺寸的技术。
背景技术：
例如，逆变器系统(inverter system)射频加热装置具有内置的变压器单元，该变压器单元具有封装到基板上的升压变压器。将参照图9说明该变压器单元的电路。
商用电源51受到整流电路53(例如二极管电桥)的全波整流，由逆变器55转换成高频电压，然后被施加到升压变压器57的初级线圈59。从而在升压变压器57的次级线圈61中产生几千伏的高频高电压。
该高频高电压由包括电容器63和二极管65的倍压器整流电路67整流。因而，将高电压施加到作为微波发生器的磁控管69。升压变压器57的加热线圈71连接到磁控管69的丝极(filament)73以加热丝极73。磁控管69通过加热丝极73和施加高电压来振荡微波。
用于驱动磁控管的一个升压变压器57具有这样的结构，其中例如图10所示，初级线圈59和次级线圈61和加热线圈71缠绕在一个线轴75上，并且它们并置在与U型磁体77和78相同的轴上。在该升压变压器57中，连接到每个线圈的引线末端被安装并固定入基板的每个终端孔，升压变压器57被封装在该基板上。
例如，在日本特许公开JP-A-10-27720中描述了具有上述结构的、用于驱动磁控管的升压变压器。
在用于驱动这种磁控管的升压变压器中，要求减少诸如加热蒸煮机(heating cooking machine)之类装置的尺寸，以及安装提供有装置的更强功能的高附加值的部件，并且积极尝试减少装置的每部分的尺寸。在这当中，升压变压器是尤其具有大的重量和大的体积的部件，因而特别要求减少其尺寸。
其上缠绕有升压变压器的初级线圈59和次级线圈61的线轴75是通过压模(mold)生产的。当线轴75的形状变得复杂时，用于压模的模具变得昂贵，从而增加生产成本。特别是由于次级线圈61被形成为多层(例如有些情况下为三层或更多层)，因此线轴75的形状变得复杂。当简单地省略掉用于划分绕线区域的肋片(rib)79或者减少层数以便简化线轴的形状时，线电压增加，从而引起电晕放电(corona discharge)，因此大大缩短变压器的使用寿命。
发明内容
考虑到上述问题，本发明旨在提供用于驱动磁控管的升压变压器和配有该升压变压器的变压器，该升压变压器可以减少尺寸和在封装基板中的占用空间，并且可以提供紧致的变压器单元，而不牺牲变压器性能、此外不增加缠绕时间(winding time)。
上述目标可以由下面的结构来完成。
(1)一种用于驱动磁控管的升压变压器，包括其上缠绕有初级线圈和次级线圈的至少一个线轴；和插入到所述线轴的中心的铁芯(core)，其中，所述次级线圈的绕线区域在插入隔墙(partition wall)的同时被分成两个区域，并且所述次级线圈的导线材料的外部直径d和每个被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系t1＜11d。
根据这种用于驱动磁控管的升压变压器，所述次级线圈的绕线区域在插入隔墙的同时被分成两个区域。因为所述次级线圈的外部直径d和每个被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系t1＜11d，因此可以防止出现电晕放电，以提高耐用性，并且使得升压变压器的总体尺寸紧凑。
(2)如(1)中所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中次级线圈缠绕在线圈上，同时以不规则的状态布置其导线材料。
根据这种用于驱动磁控管的升压变压器，即使当导线材料以不规则的状态缠绕在线轴上时，最相邻的导线之间的最大电势差也低于电晕放电出现电压。因此，可以通过使用提供相对粗糙的缠绕的高速绕线机来在线轴上缠绕导线材料，从而可以在防止出现电晕放电的同时限制生产成本。
(3)如(1)和(2)中所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，所述隔墙的厚度t2和每个所述被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系0.8t2＜t1。
根据这种用于驱动磁控管的升压变压器，可以防止增加占用升压变压器所封装到的基板上的面积，防止由于随着次级线圈的最外面的直径变大和升压变压器的形状变平而导致升压变压器的安装高度增加、从而引起的安装空间的增加。
(4)如(1)到(3)中任一个所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，所述次级线圈的导线材料是在芯线(core wire)周围形成有绝缘涂料的实心线(solid wire)，或者是通过仅仅绞合多条所述实心线而形成的绞合线(litz wire)。
根据这种用于驱动磁控管的升压变压器，即使当由于对线轴形状进行具有足够容限的耐电压设计而导致导线材料自身的耐电压低时，耐用行也不会下降。因此，可以实现使用经济的实心线或绞合线的经济的结构。
(5)如(1)到(4)中任一个所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，与所述线轴一起整体地保持构成倍压器整流电路的高压部件，所述倍压器整流电路用于整流来自所述升压变压器的所述次级线圈的高频高电压。
根据该变压器，可以分别减少变压器单元的宽度L1、其高度L2及其深度L3，从而可以将变压器单元做成基本上立方体形状。因此，当将变压器单元封装到基板上时，可以减少在基板上的占用面积，从而可以将基板做的较小。由于也可以减少高度，因此可以大大减少将基板安装到诸如加热蒸煮机之类的装置中所需的容积。
图1是根据本发明的升压变压器的结构图。
图2是图1所示的升压变压器的次级线圈部分的概念图。
图3是示出相对于线距离的、发生电晕放电的电压的计算结果的图。
图4(a)到4(d)是比较当次级线圈的绕线区域具有单层结构和多层结构时的耐电压性能的说明图，具体地说，图4(a)示出单层结构，图4(b)示出两层结构，图4(c)示出具有位于两个位置上的隔墙的三层结构，而图4(d)示出具有位于三个位置上的隔墙的四层结构。
图5(a)到5(d)是假设相邻导线之间的电势差变为最大的情况的说明图，具体地说，图5(a)到5(c)示出绕线顺序，而图5(d)示出出现最大电势差的绕线的状况。
图6(a)和6(b)是概念性地示出其间置有隔墙的绕线的状况的说明图，具体地说，图6(a)示出在绕线区域之一完成绕线并在相邻的绕线区域开始绕线的状况，而图6(b)示出将最后匝位置上的导线材料布置在前一绕线区域的最后匝位置上的导线材料附近的状况。
图7(a)和7(b)是示出变压器单元的结构示例的外观图，具体地说，图7(a)是当基板封装表面位于下部时的侧面图，而图7(b)是沿着图7(a)所示的箭头指示的A方向的视图。
图8(a)到8(c)是用于升压变压器的线圈的导线材料的截面图，具体地说，图8(a)是单线的截面图，图8(b)是绞合线的截面图，而图8(c)是表面有外层的绞合线的截面图。
图9是变压器单元的电路图。
图10是根据现有技术的、用于驱动磁控管的升压变压器的示意性结构图。
具体实施例方式
下面将参照附图详细说明根据本发明优选实施例的、用于驱动磁控管的升压变压器和具有该升压变压器的变压器单元。
图1是根据本发明的升压变压器的示意性结构图，而图2是图1所示的升压变压器的次级线圈部分的概念图。
如图1所示，本发明的升压变压器100主要包括由绝缘树脂材料构成的线轴11、缠绕在线轴11上的初级线圈13、次级线圈15和加热线圈17、以及由例如铁氧体磁心构成的磁体(铁芯)19。
以如下方式布置磁体19，即，两个U型铁芯19a和19b的每个的一端插入到线轴11的中心，并且铁芯19a和19b彼此相对。
在线轴11中，初级线圈13、次级线圈15和加热线圈17从端的一侧在同心轴上以指定的顺序并置。初级线圈13缠绕在线轴11的肋片21a和21b之间。次级线圈15缠绕在肋片21c和21d之间，而加热线圈17在21d和21e之间。隔墙23在肋片21c和21d之间将次级线圈15的绕线区域分成两层结构。
在根据本发明的升压变压器中，隔墙23将次级线圈15的绕线区域分成如图2所示的两层结构。设置每个尺寸使得满足下面公式(1)，其中d是次级线圈15的导线材料的导线直径，t1是次级线圈的每个绕线区域的宽度，而t2是隔墙23的厚度0.8t2＜t1＜11d…(1)当升压变压器100被设计满足上述范围时，可以防止出现电晕放电，从而提高耐用性，并且使得升压变压器100的整体尺寸紧凑。
接下来，将详细说明上述范围的限制的原因。
用于驱动磁控管的升压变压器将次级线圈的2到3kV的线电压和4到5kV的驱动电压施加到与倍压器电路的输出侧相连的磁控管。在用于微波炉的逆流器的升压变压器中，初级线圈被设为大约15到20匝，而次级线圈为大约250到350匝。
当设计升压变压器时必须考虑的重要因素是(1)保证相邻绕线之间的线耐电压，和(2)当绕线区域由于置有隔墙而由多层结构构成时，保证层间的耐电压。为了保证要求(1)的线耐电压，当然除了提高导线材料自身的耐电压外，很重要的是要避免出现电晕放电(部分放电)。
图3示出相对于线距离的、发生电晕放电的电压的计算结果。顺便值得一提的是，环境温度被设为180℃。
当作为相邻导线材料之间的距离的线距离为0时，即，当导线材料相互接触时，当电势差达到大约800V时，发生电晕放电，并且损坏导线材料的绝缘涂层。当重复地发生这种电晕放电时，损坏积累并且最终导线之间的介质击穿导致出现漏电流，结果升压变压器无法保持其性能。
当线距离是1mm时，电晕放电发生电压是930V，当线距离是2mm时是1100V，而当线距离是3mm时是1900V。耐电压随着线距离的增加而增加。换句话说，线距离越小，电晕放电发生电压就变得越低，电晕放电变得越容易发生。
因此，将如图4所示比较当次级线圈的绕线区域具有单层结构和多层结构时的耐电压。
在图4(a)中，(a)表示单层结构，(b)表示其中在一个位置上置有隔墙23的两层结构，(c)表示其中在两个位置上置有隔墙23的三层结构，而(d)表示其中在三个位置上置有隔墙23的四层结构。图5通过实例示出在(c)结构中相邻导线之间的电势差达到最大值的情况。换句话说，当导线材料24如图5(a)所示串行缠绕在绕线区域上时，由于绕线区域26的宽度和导线材料24的外部直径之间的关系，第一级以三匝填充。第四匝直接缠绕在第三匝的导线材料上，而第五匝直接缠绕在第二匝的导线材料上。
可假定的最坏情况是第六匝的导线材料直接缠绕在第四匝的导线材料上，形成不均匀的绕线模式的三角形。当在该不均匀的绕线模式中缠绕下一第七匝时，直接缠绕在第六匝和第五匝上将变得不稳定，而当导线材料直接缠绕在第一匝的导线材料上时可以使线圈稳定。因此，第一匝和第七匝是具有最大电势差的相邻导线材料的关系。
假设次级线圈300总共有300匝，外加的电压是3kV，则以下面的方法计算第一和第七匝的导线材料之间的电势差。
由于次级线圈15具有图5(c)所示的结构的三层结构，因此每层的匝数大约是100匝。每层外加的电压是1kV。因此，每匝的电势差大约为10V，而第一和第七匝之间的六匝的电势差大约为60V。
因此，根据图3所示的电晕放电产生电压的图，当线距离是0时，电势差远小于800V的电晕放电产生电压，即使在图5(d)所示的状况下出现最大电势差的情况中，也可以消除相邻导线之间的电晕放电问题。
当类似地确定其他结构图4(a)、(b)和(d)的最大电势差时，单层结构(a)中的最大电势差为1.71kV，两层结构(b)中为210V，而四层结构(d)中为60V。
在层内的每一级出现的线电压由n(n+1)/2给出，其中n表示该层中排列的匝数。如上所述，次级线圈15的匝数从250到350匝，而外加的电压是2到3kV。因此，在最坏的情况下匝数是250匝，而外加的电压是3kV。在这种情况下为了将线电压保持在800V以下，在最低级中要求线圈不超过11匝。
接下来，将说明在通过放置隔墙23将绕线区域转换成多层结构以保证层间的耐电压的情况。
还是通过实例的方式以图4(c)所示的三层结构进行说明，并且图6概念性地示出置有隔墙时进行绕线的模式。
如图6(a)所示，当完成一个绕线区域的绕线时，在最后一匝位置上的导线材料25穿过置于隔墙23中的缝隙，并且在相邻绕线区域开始绕线。在相邻绕线区域中同样串行地进行绕线，并且某些情况下，在最后一匝位置上的导线材料27被布置地靠近之前最后一匝位置的导线材料25。当以这种方式将产生最大电势差的导线材料25和27相互靠近布置时，接近距离最短是隔墙23的厚度t1。
可以用下列方式计算三层结构中、在上述情况中当置有隔墙23时出现的电势差。如上所述每层存在大约100匝的线圈。由于在每个绕线区域中导线材料排成三行，因此与图6所示的状况(四层结构)不同，结构实际上成为34级结构，其中在半径方向上(在图中的纵向上)堆叠有34匝。因此，产生最大电势差的导线材料25和27具有大约100匝的电势差，从而产生大约1kV的电势差。
当以同样方式计算图4(b)和4(d)所示的结构的隔墙两侧的最大电势差时，在两层结构(b)中最大电势差为1.5kV，而在四层结构(d)中为750V。
表1将上述结果一起列出表格。
表1
参照表1，在单层结构的情况下，相邻导线之间的最大电势差大大超过在线距离为0时的电晕放电发生电压。因此，导线的规则绕线对于防止电晕放电至关重要。
在超过两层的多层结构的情况下，相邻导线之间的最大电势差低于电晕放电发生电压。因此，即使当使用(完成相对粗糙的绕线状态的绕线的)高速绕线机以不规则的状态(随机绕线状态，即导线材料的绕线位置与前一匝的位置不相邻)将导线材料缠绕在线轴11上时，也可以防止出现电晕放电，从而可以限制生产生本的增加。
由于在两层结构的情况下隔墙的厚度被设置为3mm，因此即使当存在1.5kV的隔墙23两侧的最大电势差时，也不会发生电晕放电。在三层结构的情况下最大电势差达到1kV，但由于隔墙23的厚度是2.0mm，因此也可以防止电晕放电。在四层结构的情况下最大电势差达到750V，但由于隔墙23的厚度是1mm，因此也可以防止电晕放电。
另一方面，在单层结构的情况下，次级线圈15所缠绕的线轴的形状简单，从而可以低成本地生产线轴。随着层数的增加，在多层结构中线轴形状变得更加复杂，在4或更多层中可能会本质上出现可加工性的问题，并且生产成本容易大大增加。
根据如上给出的说明以下情况变得必须，即，次级线圈15的层数至少为2时可以由高速绕线机生产，而三层具有高的线轴可加工性。这里，当两层结构与三层结构比较时，两层结构的优点在于当考虑到减少变压器单元的尺寸时其尺寸可以减少得多。
根据如上给出的说明，最好次级线圈15的层数被设置为两层。
当次级线圈15的层数被设置为两层时，次级线圈15的导线材料的外部直径d和绕线区域的宽度t1被设置成能够防止出现电晕放电的关系。具体地说，它们被设置成满足下面关系(2)t1＜11d…(2)当次级线圈15的最外部直径变大时，升压变压器的形状变得扁平，从而导致安装空间的增加，例如，封装升压变压器的基板的占用面积增加，并且升压变压器的安装高度增加。例如，当次级线圈的匝数例如是300匝时，导线材料必须每层缠绕150匝。当在最低级中导线材料缠绕成五行时，在半径方向上导线材料必须缠绕30匝。假设隔墙的厚度是适于两层结构的3mm，并且次级线圈15的导线材料的外部直径是0.5mm，(30×0.5)∶(5×0.5×2+3)＝(15∶8)或者近似2∶1。当同时考虑到在半径方向上铁芯和次级线圈之间的绝缘层的厚度以及铁芯时，最好不再增加半径方向上的尺寸。因此，次级线圈15的隔墙23的厚度t2和绕线区域的宽度t1被设置成满足下面关系(3)0.8t2＜t1…(3)当将关系(2)和(3)放在一起时，可以获得如上所述的关系(1)。当t1、t2和d的大小被设置成满足关系(1)时，可以防止出现电晕放电，并且使得升压变压器100的整体尺寸紧凑。
当通过整体地保持线圈11与构成倍压器整流电路的高压部件来构成变压器单元(所述倍压器整流电路用于整流来自满足关系(1)的升压变压器100的次级线圈15的高频高电压)时，可以大大减少使用该变压器单元的电源单元的尺寸。
图7示出该变压器单元的结构实例。图7(a)是当基板安装面朝下时的侧面图，而图7(b)是沿着(a)中的箭头A的视图。
如图7(a)和7(b)所示，当作为变压器单元200的高电压部件的电容器31和二极管33被装到线轴11的一个侧面时，可以减少宽度L1、高度L2和深度L3。当这些值被设置成落入关系(1)的范围内从而变压器单元200的形状可以基本上成为立方形时，可以减少当其封装时变压器单元200在基板上的占用面积，并且可以有助于减少基板的尺寸。也可以减少高度，并且可以大大减少将基板装入例如加热蒸煮机中所需的容积。顺便值得一提的是，尽管本实施例表示将高电压部件装到线轴11的侧面的结构实例，但该结构不是特别限制性的，并且当将高电压部件装到基板上时，可以进一步减少变压器单元200的尺寸。
用作升压变压器100的线圈的导线材料的例子包括实心线、绞合线和表面有外层的绞合线，并且它们所有都可以适用。图8示出了这些导线的截面形状。图8(a)示出单线的截面，图8(b)示出绞合线的截面，而图8(c)示出表面有外层的绞合线的截面图。
耐电压特性优秀的普通导线材料是表面有外层的绞合线，它是通过捆绑多条导线材料获得的，该导线材料是通过在芯线35涂上诸如瓷釉之类的绝缘涂料37形成的，且具有圆形的截面形状，但这种线较贵。另一方面，尽管绞合线比较经济，但在耐电压和耐久性上它不如表面有外层的绞合线。然而在根据本发明的升压变压器100中，利用线轴11的形状来实现具有充足容限的耐电压设计。因此，即使导线材料自身的耐电压低，耐久性也不下降。结果，即使当使用经济的实心线或绞合线时，也不会引起由于发生电晕放电而导致的耐久性下降，并且可以以低成本构造升压变压器100。换句话说，本发明可以充分使用仅仅在芯线35周围具有绝缘涂料37的实心线、或者通过绞合多条这样的实心线而形成的没有外层型的绞合线，而不必使用沿着外圆周给一捆绞合线覆盖上绝缘材料39、成为圆形截面形状的结构。
对于绞合线的直径d，直径可以取各种值，从每条芯线35的绝缘涂料37的外表面的最小直径d(min)到作为每条芯线35的绝缘涂料37的外表面的外切圆的直径的最大直径d(max)，但在任何情况下，直径被设置成满足已经描述了的关系(1)和(2)的条件。
如上所述，根据本发明的升压变压器和变压器单元，可以在不牺牲变压器的性能的情况下减少尺寸和成本，并且该变压器不仅可以用作用于驱动加热蒸煮机的磁控管的变压器，还可以用作用于不背离本发明的范围的各种广泛结构中的应用的变压器。
工业适用性如上所述，在根据本发明的用于驱动磁控管的升压变压器中，将次级线圈的绕线区域分成两个区域，其中置有隔墙，并且次级线圈的导线材料的外部直径d和每个被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系t1＜11d。结果，可以防止出现电晕放电，提高耐久性，并且减少升压变压器的总体尺寸。
在配有该升压变压器的变压器单元中，可以减少变压器单元的全部宽度、高度和深度，从而可以将变压器单元做成基本上立方体形状。因此，当将变压器单元封装到基板上时，可以减少在基板上的占用面积，从而可以减少基板的尺寸。可以减少高度，因而也可以减少所需的封装容积。
权利要求
1.一种用于驱动磁控管的升压变压器，包括其上缠绕有初级线圈和次级线圈的线轴；和插入到所述线轴的中心的铁芯，其中，所述次级线圈的绕线区域在插入隔墙的同时被分成两个区域，并且所述次级线圈的导线的外部直径d和每个被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系t1＜11d。
2.如权利要求1所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，所述次级线圈缠绕在所述线轴上，同时其导线材料以不规则的状态排列。
3.如权利要求1所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，所述隔墙的厚度t2和每个所述被分成的绕线区域的宽度t1被设置成满足关系0.8t2＜t1。
4.如权利要求1所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，所述次级线圈的导线材料是在芯线周围形成有绝缘涂料的实心线，或者是通过仅仅绞合多条所述实心线而形成的绞合线。
5.如权利要求1所述的用于驱动磁控管的升压变压器，其中，与所述线轴一起整体地保持构成倍压器整流电路的高压部件，所述倍压器整流电路用于整流来自所述升压变压器的所述次级线圈的高频高电压。
全文摘要
一种用于驱动磁控管的升压变压器100包括线轴11，在其上至少缠绕第一线圈13和次级线圈15；和插入到线轴的中心的铁芯19，其中次级线圈15的绕线区域在插入隔墙23的同时被分成两个区域，并且次级线圈15的导线材料的外部直径d和每个被分成的绕线区域的宽度t
文档编号H05B6/66GK1774775SQ20048001037
公开日2006年5月17日 申请日期2004年4月14日 优先权日2003年4月15日
发明者酒井伸一, 佐藤圭一, 安井健治, 末永治雄, 森川久 申请人:松下电器产业株式会社